DE3817454A1 - Digitalisier-verfahren und -anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und eine Anordnung zum Erfassen von Geometriedaten räumlicher Modelle nach den Oberbegriffen der An­ sprüche 1, 2 und 7.

Die Herstellung von Werkstücken mit beispielsweise räumlich gekrümmten Flächen gehört zu den anspruchs­ vollsten Zerspanungsaufgaben. In der Vergangenheit sind zu diesem Zweck vor allem die Nachformtechniken immer mehr verbessert worden.

Seit der breiten Einführung der numerisch gesteuer­ ten Bearbeitungsmaschinen wurde jedoch der Weiter­ entwicklung der sogenannten Kopierfräsmaschinen nicht mehr sehr viel Aufmerksamkeit geschenkt.

Erst in jüngster Zeit gewinnt die Nachformung räum­ licher Modelle wieder an Bedeutung, und zwar durch die Anwendung der NC-Technologie bei Maschinen für die Nachformung von mathematisch schwer zu beschrei­ benden Freiformflächen.

Bei komplexen Formen im Karosseriebau oder auch bei ganz normalen Gebrauchsgütern wie Schuhwerk und Ge­ häusen für Telefone, Bügeleisen usw. ist man mit der konventionellen NC-Fertigung schnell am Ende. Aus diesem Grunde wird häufig ein physikalisches Modell abgetastet, das durch den Designer geschaffen, im Strömungskanal optimiert oder durch den erfahrenen Werkzeug- und Formenbauer entwickelt wurde. Das Ur­ modell wird dabei zeilenweise abgefahren, ähnlich dem Kopierfräsen. Unterschiedlich ist jedoch, daß nicht direkt ein Werkzeug mitläuft, das die Kopie des Modells erstellt. Vielmehr wird die Oberfläche in Form vieler einzelner Punkte erfaßt und auf ei­ nem Massenspeicher (Floppy-Disk, Winchester) abge­ legt. Diesen Vorgang nennt man Digitalisieren. Ist die Punktedichte groß genug, repräsentiert die Menge aller Einzelpunkte das Modell. Die so erhaltenen Ein­ zelpunkte können nun mit rechnertechnischen Möglich­ keiten bearbeitet werden.

Prinzipiell sind zwei Verfahren zur Geometrieer­ fassung denkbar.

• 1. Punktuell: Die Meßmaschinenhersteller bevorzugen häufig die punktuelle Digitalisierung, d. h. daß die Oberfläche aus einem nicht berührenden Raumpunkt an­ gefahren wird, bis der Taststift Modellberührung be­ kommt. Dieser "Antastung" steht eine "Abtastung" ge­ genüber, d. h. ein Wegbewegen des Taststiftes von dem Modell. Diese Art der Geometriedatengewinnung ist zwar präzise, aber sehr langsam für die Erfassung großer Flächen.
• In einem Bericht in der Zeitschrift "Werkzeug & For­ menbau" vom Juni 1987 ist auf den Seiten 79 und 80 eine derartige Anordnung beschrieben. Dort wird an­ gegeben, daß ein derartiges System durchschnittlich 2,5 Sekunden zur Verarbeitung eines Meßpunktes be­ nötigt.
• Eine ähnliche Anordnung ist in der DE-PS 27 42 344 beschrieben, bei der die Abtastung eines Profils eines Werkstückes mit einer Geschwindigkeitssteue­ rung erfolgt, die vom Tastsignal abhängig ist. Dort ist in Verbindung mit einem Taktgeber eine digitale Ermittlung der Werkstückkontur möglich, wobei die Impulsfolgefrequenz bzw. die Impulslänge ein Maß für die Steigung des Profils darstellen.
• 2. Kontinuierlich: Bei der kontinuierlichen Digita­ lisierung hat der Taststift ständigen Modellkontakt und wird über die Vorlage hinwegbewegt. In der Re­ gel fallen zu äquidistanten Zeitpunkten Oberflächen­ punkte an, die weiterverarbeitet werden müssen. Auch diesen Vorgang nennt man häufig "Abtasten". Neben den Meßmaschinen sind als Abtastmaschinen auch Nach­ formeinrichtungen, spezielle Digitalisiermaschinen, aber auch Industrieroboter denkbar. Ein derartiges Digitalisierungsverfahren wird in der EP-A1-2 27 842 beschrieben. Bei kontinuierlicher Abtastung ist die Reibung zwischen Modell und Taststift zu berücksich­ tigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Ver­ fahren und eine Anordnung zur Durchführung der Ver­ fahren anzugeben, welche die jeweiligen Nachteile des punktuellen und des kontinuierlichen Abtastens nicht aufweisen und die demgemäß mit der Genauig­ keit des punktuellen Abtastens und der Schnellig­ keit des kontinuierlichen Abtastens aufwarten kön­ nen. Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 und mit einer Vor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.

Die besonderen Vorteile liegen darin, daß durch die quasi-kontinuierliche Abtastung eines Modelles eine Digitalisierung mit den Vorzügen beider Abtastprin­ zipien ermöglicht wird. Werkzeugmaschinen, auf de­ nen die Digitalisierung der räumlichen Modelle be­ vorzugt durchgeführt werden soll, werden mechanisch nicht mehr so stark beansprucht, da die beim herkömm­ lich punktuellen Abtasten auftretenden starken Beschleu­ nigungen und Abbremsungen stark verringert werden. In weiterer Ausgestaltung kann das Verfahren be­ sonders vorteilhaft auf einer NC-Maschine durchge­ führt werden ohne daß der Bediener ein NC-Programm erstellen muß. Ferner kann ein separater Personal- Computer - wie er in der Literaturstelle "Werkzeug & Formenbau", Juni 1987, S. 79, 80 als erforderlich beschrieben ist - entfallen und auch ein Taktgenera­ tor ist nicht erforderlich.

Mit Hilfe eines Ausführungsbeispieles soll die Er­ findung nachstehend anhand der Zeichnungen noch nä­ her erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Digita­ lisier-Anordnung,

Fig. 2 Abtastkennlinien und

Fig. 3 verschiedene Tastkopf-/Werkstück­ konfigurationen.

Das Blockschaltbild in Fig. 1 zeigt stark schema­ tisiert einen Teil eines Maschinentisches, der zu einer Werkzeugmaschine F gehört. Mit nicht darge­ stellten Mitteln ist ein Modell eines Werkstückes M auf dem Maschinentisch der Werkzeugmaschine F be­ festigt.

In einer nicht dargestellten Spindel der Werkzeug­ maschine F befindet sich ein schaltender Tastkopf T. Der Tastkopf T liefert ein Schaltsignal, wenn sich ein Schalter Ts im Tastkopf T bei Kontaktberührung bzw. Kontaktunterbrechung mit dem Werkstück M öff­ net bzw. schließt. Das Signal wird einer numerischen Steuerungseinrichtung NC zugeführt, die nach vorge­ gebenen Daten die Bewegungen der Werkzeugmaschine F steuert. Die Bewegungen der Maschinenachsen Xf, Yf und Zf werden von zugehörigen Maschinenantrieben AX, AY und AZ hervorgerufen.

Für die nachfolgenden Betrachtungen wird ein kar­ thesisches Koordinatensystem zugrunde gelegt, was aber nicht unbedingt für die Erfindung Voraussetzung ist. .

Das Werkstück M befindet sich also innerhalb einer Abtastregion die durch Koordinaten Xmin, Xmax; Ymin, Ymax und Zmin, Zmax definiert ist. Der Tastkopf T bewegt sich mäanderförmig über die X, Y-Ebene und tastet dabei das Werkstück M ab. Sobald der Tast­ kopf T in Kontaktberührung mit dem Werkstück M ge­ kommen ist, wird ein Schaltsignal ausgelöst, wo­ durch die numerische Steuerungseinrichtung NC den Maschinenantrieb AZ für die Z-Achse umsteuert und dadurch den Tastkopf T von der Oberfläche des Werk­ stückes M zurückzieht. Meßwegaufnehmer C, die mit den Maschinenachsen Xf, Yf und Zf in bekannter Weise gekoppelt sind, werden im Berührungsmoment abgefragt, so daß die Koordinaten des sogenannten Antastpunktes Pi ermittelt und in einem Speicher S abgespeichert werden. Durch diese Maßnahme ist ein Punkt Pi der Kontur des Werkstückes M erfaßt.

Sobald der umgesteuerte Maschinenantrieb AZ bewirkt hat, daß der Tastkopf T keine Kontaktberührung mit dem Werkstück M mehr hat, wird der Maschinenantrieb AZ wieder umgesteuert, so daß sich der Tastkopf T zum Werkstück M hin bewegt. Auf diese Weise os­ zilliert der Tastkopf T in axialer Richtung (Z-Rich­ tung).

Dieser Oszillation wird eine Vorschubbewegung über­ lagert, die etwa senkrecht dazu verläuft. Die Vor­ schubbewegung verläuft in X-Richtung innerhalb der Abtastregion von Xmin bis Xmax, dann erfolgt ein vorgegebener Schritt in Y-Richtung und anschließend wird die Vorschubbewegung in negativer X-Richtung wieder aufgenommen. Dabei bewegt sich der Tastkopf T von Xmax bis Xmin. Dort erfolgt wieder ein Schritt in Y-Richtung usw., was zu einem mäanderförmigen Ab­ zeilvorgang führt. Dabei verlaufen in X-Richtung die Zeilen und in Y-Richtung die Spalten.

Wie bereits erwähnt, muß die Abtastung keineswegs mäanderförmig erfolgen und die Vorschubbewegungen müssen auch keinesfalls achsparallel verlaufen.

Um eine möglichst kontinuierliche Abtastung des Werkstückes M zu erzielen, muß die Oszillations­ bewegung des Tastkopfes T mit der überlagerten Vor­ schubbewegung abgestimmt werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß nach jedem Antast­ vorgang, bei dem ein Antastpunkt Pi ermittelt wur­ de, der Vorschub als Schritt mit einer bestimmten Schrittweite von der Steuerungseinrichtung NC neu vorgegeben wird.

In Fig. 2a bis 2c sind Kennlinien dargestellt, anhand derer die Anpassung des Vorschubes an die Oszillation des Tastkopfes erläutert wird.

Diese Kurven sind nicht maßstäblich, sie sollen lediglich das Prinzip verdeutlichen. Die obere Kurve in Fig. 2a zeigt die Oszillation des Tast­ kopfes T in der Z-Achse, der ein Vorschub in X- Richtung überlagert ist. Die untere Kurve zeigt ein Signal, das der Sollwertspannung am Maschinen­ antrieb AX für die X-Achse entspricht.

Der Tastkopf T hat an der ersten Linie das erste Mal Kontakt mit dem Werkstück M, so daß ein An­ tastpunkt P 1 ermittelt wird. Aus der oberen Kurve ist ersichtlich, daß sich Tastkopf T noch geringfü­ gig in der Oszillations-Richtung weiter bewegt, was auf ein Überschwingen bei derartigen Regel­ kreisen zurückzuführen ist. Im Moment der Kontakt­ berührung am Punkt P 1 wird ein Schaltsignal vom Tastkopf T erzeugt, die Koordinaten werden abge­ speichert, der Tastkopfantrieb AZ wird umgesteuert und der Maschinenantrieb AX bekommt den Befehl, den Maschinenschlitten in Richtung der X-Achse um einen Rasterschritt R weiter zu verschieben. Dazu muß der Maschinenschlitten möglichst rasch beschleunigt wer­ den (steiler Flankenanstieg in der unteren Kurve), um nach Erreichen seines Geschwindigkeitssollwertes so rechtzeitig wieder abgebremst zu werden, daß er am Ende des vorgegebenen Rasterschrittes R wieder zum Stillstand gekommen ist. In diesem Moment hat der oszillierende Tastkopf T wieder Berührung mit dem Werkstück M und der Antastpunkt P 2 ist ermittelt. Wie vorbeschrieben werden die Koordinaten dieses Punk­ tes P 2 gespeichert, der Umsteuerbefehl an die Z-Achse ausgegeben und der Befehl, die X-Achse um einen Raster­ schritt R weiter zu verfahren, an den Maschinenantrieb AX gegeben.

Auf diese Weise erhält man zuverlässig im vorgegebenen Raster in der Weite eines Rasterschrittes R immer einen Antastpunkt Pi.

In Fig. 2b sind die Maschinenparameter schon besser abgestimmt. Wenn der erste Antastpunkt P 1 in der vor­ beschriebenen Weise bestimmt ist, startet der Vorschub in X-Richtung um nach Erreichen des Sollwertes wieder in die Abbremsphase überzugehen. Bevor der Maschinen­ schlitten jedoch zum Stillstand gekommen ist, erfolgt schon der nächste Antastvorgang zur Ermittlung des An­ tastpunktes P 2. Die vorgegebene Schrittweite des Ras­ ters R ist von der Bewegung des Maschinenschlittens be­ züglich des Beschleunigungs- und Bremsvorganges nicht voll ausgeschöpft worden, denn bevor der Bremsvorgang beendet war, wurde durch das Schaltsignal am Antast­ punkt P 2 schon wieder die Beschleunigungsphase einge­ leitet.

Die Kurven in Fig. 2c zeigen das erfindungsgemäße Abtastverfahren mit optimierten Maschinenparametern. Die Frequenz der Tastkopfoszillation, die Vorschubge­ schwindigkeit in der Abzeilrichtung (X-Richtung) und die Schrittweite des Rasters R sind so aufein­ ander abgestimmt, daß der Maschinentisch sich kon­ tinuierlich in Vorschubrichtung X bewegt. Dadurch wird der Abtastvorgang quasi-kontinuierlich.

Da aber nach jedem Antastvorgang ein Rasterschritt R als Vorschub vorgegeben wird, ist sicher gewähr­ leistet, daß mindestens ein Antastpunkt Pi pro Ra­ sterschritt R ermittelt wird.

Die Fig. 2c könnte den Eindruck vermitteln, daß die Erfindung darin bestünde, einer konstanten Vor­ schubbewegung in X-Richtung eine oszillierende Tast­ kopfbewegung zu überlagern. Dies ist jedoch aus­ drücklich nicht der Fall, denn bei einer konstan­ ten Vorschubbewegung ist nicht gewährleistet, daß bei beliebigen Änderungen der Steigung des Profils des abzutastenden Werkstückes M hinreichend viele Antastpunkte Pi ermittelt werden können. Sollte nämlich die Steigung des Profiles stark zunehmen oder stark abfallen, so wird der Vorschub gemäß der Erfindung spätestens nach einer Schrittweite des Ra­ sters R gestoppt, und zwar so lange, bis der nächste Antastvorgang erfolgt ist.

Damit wird das erfindungsgemäße Abtastverfahren auch unabhängig von der Güte der Werkzeugmaschine, mit der es durchgeführt wird. Die Schnelligkeit der Antriebe, die bewegten Massen und auch andere Kriterien spielen eine untergeordnete Rolle.

In Fig. 3a ist ein Werkstück M ausschnittsweise ge­ zeigt, an dessen Kanten sich der Tastkopf T mit einer näherungsweise sinusförmigen Oszillationsbewegung entlang tastet. Es ist ersichtlich, daß der Tast­ kopf T an der waagerechten Kante in seiner axialen Richtung (Z-Richtung) oszilliert und dieser Bewe­ gung ein Vorschub in X-Richtung überlagert wird. An der senkrechten Kante des Werkstückes M wird die Richtungsänderung der Kontur erkannt und der Tast­ kopf T oszilliert in X-Richtung, der Vorschub er­ folgt in Z-Richtung. Es versteht sich, daß bei an­ deren Steigungen der Kontur des Werkstückes M die genannten Bewegungen nicht achsparallel verlaufen, sondern durch simultanes Verfahren in mehreren Ach­ sen jede beliebige Neigung haben können. Die Os­ zillationsbewegung sollte möglichst immer senkrecht zur Vorschubrichtung, d. h. senkrecht zur Werkstück­ kontur verlaufen.

Anhand der Fig. 3b und 3c soll erläutert werden, wie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Rich­ tungsänderung der Kontur des Werkstückes M erkannt wird.

Der Pfeil im Tastkopf T deutet an, daß er sich zur Werkstückskontur hin bewegt. Dabei ist der Schalter Ts geschlossen, denn der Tastkopf T ist nicht ausgelenkt. Bei Berührungskontakt mit dem Werkstück M wird der Tastkopf T ausgelenkt und der Schalter Ts geöffnet. Nun erfolgt der Umsteuerbefehl, denn es ist zu einem Schaltsignal gekommen. Nach dem Umsteuerbefehl wird der Tastkopf T von der Kontur des Werkstücks M zurückgezogen und müßte innerhalb einer gewissen Wegstrecke, die hier mit "a" bezeichnet ist, wieder frei werden. Daß heißt, der Tastkopf T müßte wieder in den nicht ausgelenkten Zustand zurückkehren, was wieder ein Schaltsignal zur Folge hätte, aufgrund dessen ein weiterer Umsteuerbefehl wieder die An­ näherung des Tastkopfes T an das Werkstück M be­ wirken würde.

Die Fig. 3c zeigt jedoch, daß der Tastkopf T nach der vorbestimmbaren Wegstrecke "a" nocht nicht frei geworden ist, weil die Steigung der Kontur des Werk­ stückes M sich geändert hat. Ein Schaltsignal wurde deshalb nicht ausgelöst. Für diese Situation bieten sich alternative Verfahrensschritte an.

• a) Die Vorschubbewegung wird verlangsamt oder ge­ stoppt und der Tastkopf T wird solange axial ver­ fahren (in Z-Richtung), bis er wieder in den nicht ausgelenkten Zustand kommt und dadurch ein Schalt­ signal auslöst, mit dem die vorbeschriebenen Vor­ gänge wieder gestartet werden.
• b) Die Vorschubrichtung und die Oszillationsrichtung werden geändert bzw. vertauscht, so das der Tast­ kopf T in X-Richtung oszilliert und eine Z-Vor­ schubrichtung überlagert wird.

Wie bereits beschrieben wurde, sind für diesen Fall auch nicht-achsparallele Bewegungen möglich. Die Vor­ schubrichtung die möglichst immer parallel zur Kon­ tur des Werkstücks M verlaufen soll, wird dadurch er­ rechnet, daß die Koordinaten der jeweils letzten bzw. letzten beiden Antastpunkte Pi-1 und Pi ausge­ wertet werden. Die Antastbewegung, also die Oszilla­ tionsrichtung erfolgt bevorzugt orthogonal dazu.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der Tastkopf keinen körperlichen Schalter aufweist, sondern daß auch auf andere Weise bei Kontaktberührung mit dem Werk­ stück ein Schaltsignal erzeugt werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erfassen von Geometriedaten räum­ licher Werkstücke (M) auf einer Maschine (F) mit einem schaltenden Tastkopf (T), der mit Hilfe einer numerischen Steuerungseinrichtung (NC) von der Maschine (F) an einer Kontur des Werkstückes (M) intermittierend entlanggeführt wird, wobei Schaltsignale des Tastkopfes (T) sowohl zur Bil­ dung der Geometriedaten des Werkstückes (M) als auch zur Steuerung der Maschinenantriebe (AX, AY, AZ) für die Maschinenachsen (Xf, Yf, Zf) derart verwendet werden, daß den oszillierenden Taster­ bewegungen wenigstens eine zur Oszillationsachse im wesentlichen orthogonale Vorschubbewegung über­ lagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach je­ dem durch einen Antastvorgang gewonnenen Antast­ punkt (Pi) der Vorschub in Form eines vorbestimm­ baren Rasterschrittes (R) neu vorgegeben wird.

2. Verfahren zum Erfassen von Geometriedaten räum­ licher Werkstücke (M) auf einer Maschine (F) mit einem schaltenden Tastkopf (T), der mit Hilfe ei­ ner numerischen Steuerungseinrichtung (NC) von der Maschine (F) an einer Kontur des Werkstückes (M) intermittierend entlanggeführt wird, wobei Schalt­ signale des Tastkopfes (T) sowohl zur Bildung der Geometriedaten des Werkstückes (M) als auch zur Steuerung der Maschinenantriebe (AX, AY, AZ) für die Maschinenachsen (Xf, Yf, Zf) derart ver­ wendet werden, daß den oszillierenden Tasterbe­ wegungen wenigstens eine zur Oszillationsachse im wesentlichen orthogonale Vorschubbewegung überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubbewegung verlangsamt oder gestoppt wird, wenn die Tasterbewegung in der Oszillations­ achse einen Grenzwert (a) überschreitet und keine Änderung des Schaltsignales erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorschubrichtung aus den Daten der jeweils letzten beiden Abtastpunkte (Pi-1, Pi) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorschubrichtung geändert wird, wenn die Tasterbewegung in der Oszillationsachse einen Grenzwert (a) überschreitet und keine Änderung des Schaltsignales erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Taster- und die Vorschubbewe­ gungen anhand der Maschinenparameter so aufeinan­ der abgestimmt werden, daß sich ein quasi-konti­ nuierlicher Abtastvorgang ergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubrichtung vektoriell vorgegeben ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tastkopf (T), die numerische Steuerungseinrichtung (NC) und die Maschinen­ antriebe (AX, AY, AZ) einen Regelkreis bilden.